DE4429733A1 - Power switching device - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungs schaltvorrichtungen und insbesondere auf eine solche Ver besserung einer Leistungsschaltvorrichtung, mittels der das Auftreten von Schaltverlusten und das Auftreten einer Über spannung bzw. eines Spannungsstoßes, wenn eine Verbindung zu einer induktiven Last vorliegt, kompatibel bzw. wirksam unterdrückt werden kann.The present invention relates to performance switching devices and in particular on such Ver Improvement of a power switching device by means of which Occurrence of switching losses and the occurrence of an over voltage or surge if a connection to an inductive load, compatible or effective can be suppressed.
Nachfolgend wird der grundsätzliche Aufbau einer her kömmlichen Leistungsschaltvorrichtung dies er Art näher er läutert. In Fig. 6 ist ein Schaltplan dargestellt, der eine herkömmliche Leistungsschaltvorrichtung zeigt, bei der ein bipolares Transistorelement mit isoliertem Gate (nachfolgend als IGBT-Element bezeichnet) und periphere Einrichtungen desselben verwendet werden. Das in der Lei stungsschaltvorrichtung vorgesehene IGBT-Element 6 schaltet zwischen zwei Hauptelektroden, nämlich einer Kollektorelek trode C und einer Emitterelektrode E, ein und aus, um da durch eine mit diesen Hauptelektroden verbundene Lastschal tung ein- und auszuschalten. Eine induktive Last 8 und eine DC-Stromquelle bzw. Gleichstromquelle 10 sind mit der Last schaltung verbunden. Die induktive Last 8 und die Gleich stromquelle 10 sind außerhalb der Leistungsschaltvorrich tung vorgesehen.The basic structure of a conventional power switching device is explained in more detail below. Fig. 6 is a circuit diagram showing a conventional power switching device using an insulated gate bipolar transistor element (hereinafter referred to as an IGBT element) and peripheral devices thereof. The IGBT element 6 provided in the power switching device switches between two main electrodes, namely a collector electrode C and an emitter electrode E, on and off in order to switch it on and off by a load circuit connected to these main electrodes. An inductive load 8 and a DC power source or DC power source 10 are connected to the load circuit. The inductive load 8 and the DC power source 10 are provided outside of the power switching device.
Eine Freilaufdiode 7 ist der induktiven Last 8 paral lelgeschaltet und ein Dämpfungs- bzw. Glättungskondensator 9 ist der Gleichstromquelle 10 parallelgeschaltet. Die Freilaufdiode 7 und der Glättungskondensator 9 bilden eine Überspannungs-Absorptionsschaltung, die eine auf die induk tive Last 8 zurückzuführende Überspannung absorbiert bzw. unterdrückt. In der die Gleichstromquelle 10, die Freilauf diode 7 und den Glättungskondensator 9 verbindenden Ver drahtung treten Induktivitäten 11 und 12 als parasitäre Elemente auf.A free-wheeling diode 7 is connected in parallel with the inductive load 8 and a damping or smoothing capacitor 9 is connected in parallel with the direct current source 10 . The freewheeling diode 7 and the smoothing capacitor 9 form an overvoltage absorption circuit which absorbs or suppresses an overvoltage which can be attributed to the inductive load 8 . In the direct current source 10 , the freewheeling diode 7 and the smoothing capacitor 9 connecting wiring Ver inductors 11 and 12 occur as parasitic elements.
Die Emitterelektroden E zweier Transistoren 3a und 3b sind mit der Gateelektrode G des IGBT-Elements 6 über einen Widerstand 4 verbunden. Die Kollektorelektroden C dieser beiden zueinander komplementären Transistoren sind mit ei ner Gleichstromquelle 5 verbunden. Der das niedrige Poten tial aufweisende Ausgang der Gleichstromquelle 5 ist mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden. Ein Basiswiderstand 2 ist mit den Basiselektroden B der Transi storen 3a und 3b verbunden. Zwischen das eine Ende des Ba siswiderstands 2 und die Emitterelektrode E des IGBT-Ele ments 6 ist ein Impulsgenerator 1 zwischengeschaltet. Der Impulsgenerator 1 ist außerhalb der Leistungsschaltvorrich tung vorgesehen.The emitter electrodes E of two transistors 3 a and 3 b are connected to the gate electrode G of the IGBT element 6 via a resistor 4 . The collector electrodes C of these two mutually complementary transistors are connected to a direct current source 5 . The low potential tial output of the DC power source 5 is connected to the emitter electrode E of the IGBT element 6 . A base resistor 2 is connected to the base electrodes B of the transistors 3 a and 3 b. A pulse generator 1 is interposed between one end of the base resistor 2 and the emitter electrode E of the IGBT element 6 . The pulse generator 1 is provided outside of the power switching device.
Die Transistoren 3a und 3b, die Widerstände 2 und 4 so wie die Gleichstromquelle 5 bilden eine Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des IGBT-Elements 6 im Ansprechen auf die den Basiselektroden B. über den Basiswiderstand 2 zuge führten Impulssignale.The transistors 3 a and 3 b, the resistors 2 and 4 as well as the direct current source 5 form a control circuit for switching the IGBT element 6 on and off in response to the pulse signals supplied to the base electrodes B. via the base resistor 2 .
Die den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisende herkömmliche Leistungsschaltvorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine hohe Spannung (von beispielsweise 15 V) aufweisendes Signal zuführt, schaltet der Transistor 3a ein und der Transistor 3b schaltet aus. Der von der Gleichstromquelle 5 her zuge führte Strom (der Einschalt-Ansteuerstrom) wird daraufhin über den Transistor 3a der Gateelektrode G zugeführt, wo durch die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gatespannung, eine dem IGBT- Element 6 eigene bzw. für diesen spezifische Gate-Schwel lenspannung übersteigt, wodurch das IGBT-Element 6 ein schaltet. Durch das Einschalten des IGBT-Elements 6 wird die Lastschaltung eingeschaltet, worauf der induktiven Last 8 aus der Gleichstromquelle 10 ein entsprechender Last bzw. Versorgungsstrom zugeführt wird.The conventional power switching device having the structure described above works as follows: If the pulse generator 1 supplies the base resistor 2 with a signal having a high voltage (for example 15 V), the transistor 3 a switches on and the transistor 3 b switches off. The current supplied by the direct current source 5 (the switch-on drive current) is then fed via the transistor 3 a to the gate electrode G, where the voltage between the gate electrode G and the emitter electrode E, ie the gate voltage, is one of the IGBT element 6 own or for this specific gate threshold lens voltage exceeds, whereby the IGBT element 6 turns on. By switching on the IGBT element 6 , the load circuit is switched on, whereupon a corresponding load or supply current is supplied to the inductive load 8 from the direct current source 10 .
Wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine niedrige Spannung (von beispielsweise 0 V) aufweisen des Signal zuführt, schaltet der Transistor 3b ein und der Transistor 3a schaltet aus. Daraufhin wird der Gateelek trode G ein in entgegengesetzter Richtung zum Einschalt-An steuerstrom fließender Strom (nämlich ein Ausschalt-Ansteu erstrom) zugeführt, wodurch die Spannung zwischen der Ga teelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gate spannung, kleiner als die Gate-Schwellenspannung wird, so daß das IGBT-Element 6 ausschaltet. Mit dem Ausschalten des IGBT-Elements 6 wird auch die Lastschaltung ausgeschaltet, womit die Zufuhr des Laststroms aus der Gleichstromquelle zur induktiven Last 8 beendet wird.When the pulse generator 1 supplies the base resistor 2 with a low voltage (for example 0 V) of the signal, the transistor 3 b switches on and the transistor 3 a switches off. Thereupon the gate electrode G is a current flowing in the opposite direction to the switch-on control current (namely a switch-off control current), whereby the voltage between the gate electrode G and the emitter electrode E, ie the gate voltage, is smaller than the gate Threshold voltage is set so that the IGBT element 6 switches off. When the IGBT element 6 is switched off, the load circuit is also switched off, as a result of which the supply of the load current from the direct current source to the inductive load 8 is ended.
Da die induktive Last 8 die Eigenschaft hat, den Strom entsprechend der Größe der Induktivität zu halten, wird der Laststrom nicht unmittelbar zu Null, wenn das IGBT-Element 6 vom Ein-Zustand ausschaltet, sondern verringert sich all mählich, während er in die aus der Freilaufdiode 7 und der gleichen gebildete Überspannungs-Absorptionsschaltung zu rückfließt. Die Überspannungs-Absorptionsschaltung dient dazu, das Anlegen einer zu großen Überspannung zwischen der Kollektorelektrode C und der Emitterelektrode E des IGBT- Elements 6 zu verhindern, wenn das IGBT-Element vom Ein-Zu stand ausschaltet, und zwar indem für die induktive Last 8 ein Pfad zum Rückfluß des Laststroms geschaffen wird.Since the inductive load 8 has the property of keeping the current according to the size of the inductance, the load current does not immediately go to zero when the IGBT element 6 turns off from the on state, but gradually decreases as it goes into the off the freewheeling diode 7 and the same overvoltage absorption circuit formed to flow back. The overvoltage absorption circuit serves to prevent the application of an excessive overvoltage between the collector electrode C and the emitter electrode E of the IGBT element 6 when the IGBT element switches off from the on-to state, specifically by switching on the inductive load 8 Path to the backflow of the load current is created.
Diese herkömmliche Schaltvorrichtung ist jedoch mit dem nachfolgend beschriebenen Problem behaftet. Wie bereits er läutert wurde, tritt in der Überspannungs-Absorptionsschal tung die parasitäre Induktivität 11 auf. Wenn das IGBT-Ele ment 6 vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand umschaltet, nimmt der durch die parasitären Induktivitäten 11 und 12 fließende Strom schnell zu, da der durch die in duktive Last 8 fließende Laststrom zur Überspannungs-Ab sorptionsschaltung zurückzufließen beginnt. Diese rasche Zunahme im zurückfließenden Strom ruft in den parasitären Induktivitäten 11 und 12 eine spitzenähnliche bzw. kurzzei tige Hochspannung hervor.However, this conventional switching device has the problem described below. As already explained, the parasitic inductance 11 occurs in the overvoltage absorption circuit. When the IGBT element 6 switches from the on to the off state, the current flowing through the parasitic inductors 11 and 12 increases rapidly since the load current flowing through the inductive load 8 begins to flow back to the overvoltage absorption circuit. This rapid increase in the current flowing back causes a peak-like or short-term high voltage in the parasitic inductors 11 and 12 .
Wenn das IGBT-Element 6 vom ein- in den ausgeschalteten Zustand umschaltet, wird daher zwischen die Kollektorelek trode C und die Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 eine entsprechende Überspannung angelegt. Bei der herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung tritt somit das Problem auf, daß die Überspannungs-Absorptionsschaltung die ihr ursprünglich zugedachte Aufgabe nicht in ausreichendem Maße erfüllen kann, und zwar aufgrund der Existenz der parasitären Induk tivitäten 11 und 12.When the IGBT element 6 switches from the on to the off state, a corresponding overvoltage is therefore applied between the collector electrode C and the emitter electrode E of the IGBT element 6 . In the conventional power switching device, there arises the problem that the overvoltage absorption circuit cannot sufficiently fulfill the task originally intended for it, due to the existence of the parasitic inductances 11 and 12 .
Die Überspannung kann dadurch wirksam verringert wer den, daß der Übergang des IGBT-Elements 6 vom ein- zum aus geschalteten Zustand, d. h. die Schaltgeschwindigkeit, her abgesetzt wird. Wenn die Schaltgeschwindigkeit herabgesetzt wird, tritt jedoch ein weiteres Problem auf: der Leistungs verlust beim Schaltvorgang des IGBT-Elements 6, d. h. der Schaltverlust, nimmt dann nämlich zu. Demzufolge tritt bei dieser herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung das Problem auf, daß die beiden Anforderungen, nämlich die Verringerung der Überspannung und die Verringerung der Schaltverluste, einander widersprechen, wobei es schwierig ist, beiden Kri terien in gleicher Weise gerecht zu werden.The overvoltage can be effectively reduced by the fact that the transition of the IGBT element 6 from the on to the off state, ie the switching speed, is reduced. If the switching speed is reduced, however, a further problem arises: the power loss during the switching operation of the IGBT element 6 , ie the switching loss, then increases. Accordingly, in this conventional power switching device, there arises a problem that the two requirements, namely the reduction of the overvoltage and the reduction of the switching loss, contradict each other, and it is difficult to meet both criteria in the same way.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsschaltvorrichtung zu schaffen, mit der sowohl die Schaltverluste als auch der Pegel einer Überspannung wirk sam herabgesetzt werden können.The invention is therefore based on the object To create power switching device with which both Switching losses and the level of an overvoltage are effective sam can be reduced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. This object is achieved according to the invention 1 specified measures solved.
Die vorliegende Erfindung schlägt demnach eine Lei stungsschaltvorrichtung vor, bei der ein Leistungsschalte lement einen Ausschaltvorgang und einen Einschaltvorgang im Ansprechen auf ein Ausgangssignal einer mit einer Steuer elektrode des Leistungsschaltelements verbundenen Steuer schaltung durchführt, um eine mit einer Hauptelektrode des Leistungsschaltelements verbundene Lastschaltung aus- und einzuschalten. Erfindungsgemäß weist die Schaltvorrichtung einen Induktor bzw. eine Drosselspule auf, die in der Last schaltung zwischengeschaltet ist, und die Steuerschaltung ist so aufgebaut, daß ein Pfad des Ausschalt-Ansteuer stroms, den die Steuerschaltung der Steuerelektrode zu führt, um das Leistungsschaltelement in den Ausschalt-Zu stand zu bringen, die Drosselspule enthält, daß ein Haupt strom des Leistungsschaltelements und der Ausschalt-Ansteu erstrom in der Drosselspule in entgegengesetzter Richtung zueinander fließen, und daß ein Pfad des Einschalt-Ansteu erstroms, den die Steuerschaltung der Steuerelektrode zu führt, um das Leistungsschaltelement in den Einschalt-Zu stand zu versetzen, die Drosselspule nicht enthält.The present invention thus suggests a lei Power switching device in which a power switching lement a switch-off process and a switch-on process in the Responding to an output signal one with a control Electrode of the power switching element connected control performs circuit to a with a main electrode of the Power switching element connected load circuit off and turn on. According to the switching device an inductor or a choke coil in the load circuit is interposed, and the control circuit is constructed so that a path of the shutdown drive current that the control circuit of the control electrode to leads to the power switching element in the switch-off stood to bring the choke coil that contains a main current of the power switching element and the switch-off control current in the choke coil in the opposite direction flow to each other, and that a path of the turn-on control erstroms, the control circuit of the control electrode leads to the power switching element in the power-on stand, the choke coil does not contain.
Bei der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung ist demnach eine Drosselspule in der Lastschaltung angeord net, wobei diese Drosselspule im Pfad des Ausschalt-Ansteu erstroms liegt. Weiterhin fließen der Hauptstrom des Lei stungsschaltelements und der Ausschalt-Ansteuerstrom in der Drosselspule in entgegengesetzter Richtung zueinander. Wenn das Leistungsschaltelement ausgeschaltet wird, nimmt der Ausschalt-Ansteuerstrom, der sich bereits erhöht hat, auf grund einer in der Drosselspule durch eine Abnahme des Hauptstroms induzierten Spannung ab. Als Folge davon ist der Verlauf des Übergangs vom ein- in den ausgeschalteten Zustand weich. Die Abnahme des zur Hauptelektrode des Lei stungsschaltelements fließenden Hauptstroms wird daher wei cher gemacht bzw. abgeschwächt. Als Folge davon wird das Auftreten einer Überspannung während der Ausschalt-Ansteue rung unterdrückt.In the power switching device according to the invention a choke coil is therefore arranged in the load circuit net, this choke coil in the path of the switch-off control current. The main stream of the Lei continues to flow Power switching element and the turn-off drive current in the Choke coil in opposite directions to each other. If the power switching element is turned off, the Switch-off drive current that has already increased due to a decrease in the choke coil Main current induced voltage. As a result of this the course of the transition from on to off Condition soft. The decrease of the to the main electrode of the Lei Power switching element flowing main current is therefore white made or weakened. As a result, it will Overvoltage occurs during switch-off control suppressed.
Andererseits befindet sich die Drosselspule nicht im Pfad des Einschalt-Ansteuerstroms. Wenn das Leistungsschal telement eingeschaltet wird, steigt der Einschalt-Ansteuer strom folglich schnell an, so daß das Schalten mit hoher Geschwindigkeit erfolgt. Als Folge davon werden die Schalt verluste während der Einschalt-Ansteuerung unterdrückt bzw. herabgesetzt. Mit anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung werden durch Verlangsamen der Schaltge schwindigkeit während der Ausschalt-Ansteuerung, wo das Auftreten der Überspannung ernste Probleme bereitet, und durch Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit während der Ein schalt-Ansteuerung, wo das Auftreten einer Überspannung keinerlei Probleme bereitet, die Steuerung der Überspannung und die Verringerung der Gesamt-Schaltverluste in miteinan der verträglicher bzw. kompatibler Weise realisiert.On the other hand, the choke coil is not in the Inrush drive current path. If the performance scarf telement is switched on, the switch-on control increases consequently quickly on, so that switching with high Speed. As a result, the switching losses during start-up control suppressed or reduced. In other words, in the case of the invention Switching device by slowing the Schaltge speed during switch-off control, where that Occurrence of overvoltage causes serious problems, and by increasing the switching speed during the on switching control where the occurrence of an overvoltage the control of the overvoltage causes no problems and reducing overall switching losses in one with the other the realized in a compatible or compatible manner.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Leistungsschalt vorrichtung handelt es sich bei dem Leistungsschaltelement vorzugsweise um ein bipolares Transistorelement mit iso liertem Gate, wobei ein Ende der Drosselspule mit der Emit terelektrode des bipolaren Transistorelements mit isolier tem Gate verbunden ist, und die Steuerschaltung weist einen Transistor zur Ausschalt-Ansteuerung, der der Steuerelek trode durch Einschalten des Pfads des Ausschalt-Ansteuer stroms den Ausschalt-Ansteuerstrom zuführt, sowie einen Transistor zur Einschalt-Ansteuerung auf, der der Elektrode durch Einschalten des Pfads des Einschalt-Ansteuerstroms den Einschalt-Ansteuerstrom zu führt.In the electrical power switch according to the invention device is the power switching element preferably a bipolar transistor element with iso gated gate, one end of the inductor with the Emit terelectrode of the bipolar transistor element with isol tem gate is connected, and the control circuit has one Switch-off control transistor for the control elec trode by switching on the path of the switch-off control current supplies the switch-off control current, and one Transistor for switching on, the electrode by turning on the path of the inrush drive current leads the inrush drive current.
Da die Drosselspule bei der erfindungsgemäßen Lei stungsschaltvorrichtung mit der Emitterelektrode des IGBT- Elements verbunden ist, ändert sich das Potential der Emit terelektrode in seiner Richtung derart, daß das IGBT-Ele ment den Einschalt-Zustand mit der Abnahme des im IGBT-Ele ment beim Ausschaltvorgang des IGBT-Elements fließenden Hauptstroms aufrechterhält. Mit einer derartigen, durch die Drosselspule hervorgerufenen Rückkopplungswirkung wird die Schaltgeschwindigkeit noch wirksamer verlangsamt. Da als Leistungsschaltelement ein IGBT-Element verwendet wird, ist es darüber hinaus möglich, eine Leistungsschaltvorrichtung mit hoher Schaltgeschwindigkeit und geringen Verlusten zu schaffen. Durch Verwenden des für die Ausschalt-Ansteuerung vorgesehenen Transistors und des für die Einschalt-Ansteue rung vorgesehenen Transistors ist es darüber hinaus mög lich, eine Steuerschaltung mit einfachem Aufbau zu schaf fen.Since the choke coil in the Lei according to the invention Power switching device with the emitter electrode of the IGBT Element is connected, the potential of the emit changes terelektrode in its direction such that the IGBT-Ele ment the switch-on state with the decrease of the in the IGBT-Ele flowing when the IGBT element is switched off Mainstream maintained. With such, through which Choke coil caused feedback effect Switching speed slowed down even more effectively. There as Power switching element is an IGBT element is used it also possible a power switching device with high switching speed and low losses create. By using the for the switch-off control provided transistor and for the switch-on control tion provided transistor it is also possible Lich to create a control circuit with a simple structure fen.
Bei der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung hat das bipolare Transistorelement mit isoliertem Gate eine Strombelastbarkeit, die vorzugsweise mindestens 100 A be trägt, der Wert der Induktivität der Drosselspule liegt vorzugsweise im Bereich von 1 nH bis 5 nH, der Widerstands wert des in den Pfad des Ausschalt-Ansteuerstroms einge schleiften Ausschalt-Ansteuerwiderstands ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 3 Ω und der Widerstandswert des in den Pfad des Einschalt-Ansteuerstroms eingeschleiften Ein schalt-Ansteuerwiderstands ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 3 Ω.In the power switching device according to the invention the insulated gate bipolar transistor element has one Current carrying capacity, which preferably be at least 100 A carries, the value of the inductance of the inductor is preferably in the range of 1 nH to 5 nH, the resistance value of the in the path of the switch-off control current drag the turn-off drive resistor is preferred equal to or less than 3 Ω and the resistance value of the in the path of the inrush drive current looped on switching drive resistance is preferably equal to or less than 3 Ω.
Bei der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung werden der Wert der Induktivität der Drosselspule und die jeweiligen Widerstandswerte des Einschalt-Ansteuerwider stands und des Ausschalt-Ansteuerwiderstands optimiert, wo durch die Steuerung der Überspannung und die Verringerung der Schaltverluste in sehr gut geeigneter Weise in einer Vorrichtung mit hoher Strombelastbarkeit realisierbar sind.In the power switching device according to the invention the value of the inductance of the inductor and the respective resistance values of the switch-on control resistor and the switch-off control resistor optimized where by controlling the surge and reducing the switching losses in a very suitable manner in one Device with high current carrying capacity can be realized.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich nung näher erläutert. Es zeigen: The invention is described below based on the description of embodiments with reference to the drawing tion explained in more detail. Show it:
Fig. 1 anhand eines Schaltbilds ein Ausführungs beispiel der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrich tung einschließlich peripherer Vorrichtungen derselben; Fig. 1 on the basis of a circuit diagram of an execution example tung Leistungsschaltvorrich invention including peripheral devices of the same;
Fig. 2 anhand einer Kennlinienschar das Ergebnis einer über dieses Ausführungsbeispiel durchgeführten Simulation; Fig. 2 is based on a family of characteristics the result of a performed this embodiment, simulation;
Fig. 3 bis 5 jeweils anhand von Kennlinien scharen das Ergebnis weiterer Simulationen, die an der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels durchgeführt wurden; und FIGS. 3 to 5 each show the result of further simulations which were carried out on the device of this exemplary embodiment on the basis of characteristic curves; and
Fig. 6 anhand eines Schaltbilds eine herkömmli che Leistungsschaltvorrichtung und deren periphere Vor richtungen. Fig. 6 with the aid of a circuit diagram, a conventional power switching device and its peripheral devices.
In Fig. 1 sind anhand eines Schaltbilds der prinzipielle Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung sowie die Anordnung der periphe ren bzw. äußeren Vorrichtungen derselben näher dargestellt. In Fig. 1 sind diejenigen Elemente, die denen der in Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung entspre chen, jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In Fig. 1, the basic structure of an embodiment of the power switching device according to the invention and the arrangement of the peripheral or external devices thereof are shown in more detail using a circuit diagram. In Fig. 1, those elements which correspond to those of the conventional power switching device shown in Fig. 6 are each designated by the same reference numerals.
Die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung weist als Leistungsschaltelement ein bipolares Transistorelement mit isoliertem Gate bzw. ein IGBT-Element 6 auf, das Ein schalt- und Ausschaltvorgänge durchführt, um eine mit sei nen zwei Hauptelektroden, d. h. einer Kollektorelektrode C und einer Emitterelektrode E verbundene Lastschaltung ent sprechend ein- und auszuschalten. Eine induktive Last 8 und eine Gleichstromquelle 10 sind mit der Lastschaltung ver bunden. Die induktive Last 8 und die Gleichstromquelle 10 sind außerhalb der Leistungsschaltvorrichtung vorgesehen. In der Lastschaltung ist weiterhin ein Induktor bzw. eine Drosselspule 13 vorgesehen. Die Drosselspule 13 ist mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden und bildet einen Teil der Leistungsschaltvorrichtung. The power switching device according to the invention has as a power switching element a bipolar transistor element with an insulated gate or an IGBT element 6 , which carries out a switching on and switching off operations to a load circuit connected to its two main electrodes, ie a collector electrode C and an emitter electrode E, accordingly - and switch off. An inductive load 8 and a DC power source 10 are connected to the load circuit ver. The inductive load 8 and the direct current source 10 are provided outside the power switching device. An inductor or a choke coil 13 is also provided in the load circuit. The choke coil 13 is connected to the emitter electrode E of the IGBT element 6 and forms part of the power switching device.
Eine Freilaufdiode 7 ist der induktiven Last 8 paral lelgeschaltet und ein Dämpfungs- bzw. Glättungskondensator 9 ist der Gleichstromquelle 10 parallelgeschaltet. Die Freilaufdiode 7 und der Glättungskondensator 9 bilden eine Überspannungs-Absorptionsschaltung, die auf die induktive Last 8 zurückzuführende Überspannungen absorbiert. In der die Gleichstromquelle 10, die Freilaufdiode 7 und den Glät tungskondensator 9 verbindenden Verdrahtung treten parasi täre Induktivitäten 11 und 12 auf.A free-wheeling diode 7 is connected in parallel with the inductive load 8 and a damping or smoothing capacitor 9 is connected in parallel with the direct current source 10 . The freewheeling diode 7 and the smoothing capacitor 9 form an overvoltage absorption circuit which absorbs overvoltages that are attributable to the inductive load 8 . In the DC power source 10 , the freewheeling diode 7 and the smoothing capacitor 9 connecting wiring occur parasitic inductors 11 and 12 .
Die jeweiligen Emitterelektroden E zweier Transistoren, nämlich eines Transistors 3a (eines zum Einschalten vorge sehenen Einschalt-Ansteuertransistors) und eines Transi stors 3b (eines zum Ausschalten vorgesehenen Ausschalt-An steuertransistors) sind mit der Gateelektrode G des IGBT- Elements 6 verbunden. Die Kollektorelektrode C des Ein schalt-Ansteuertransistors 3a ist mit dem das hohe Poten tial aufweisenden Ausgang einer Gleichstromquelle 5 über einen Ansteuerwiderstand 4a verbunden. Die Kollektorelek trode C des Ausschalt-Ansteuertransistors 3b ist über einen Ansteuerwiderstand 4b mit demjenigen Ende der Drosselspule 13 verbunden, das dem mit der Emitterelektrode E des IGBT- Elements 6 verbundenen Ende gegenüberliegt. Der das niedri ge Potential aufweisende Ausgang der Gleichstromquelle 5 ist mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 direkt verbunden, ohne daß eine Verbindung durch die Drosselspule 13 besteht.The respective emitter electrodes E of two transistors, namely a transistor 3 a (one provided for switching on the switch-on control transistor) and a transistor 3 b (a switch-off control transistor provided for switching off) are connected to the gate electrode G of the IGBT element 6 . The collector electrode C of the switching driving transistor A 3 a is connected to the high poten tial output having a DC power source 5 via a drive resistor 4a. The collector electrode C of the turn-off drive transistor 3 b is connected via a drive resistor 4 b to that end of the choke coil 13 which is opposite the end connected to the emitter electrode E of the IGBT element 6 . The low potential potential output of the direct current source 5 is directly connected to the emitter electrode E of the IGBT element 6 without a connection through the choke coil 13 .
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß die Drosselspule 13 mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden ist, der das niedrige Potential aufweisende Ausgang der Gleichstromquelle 5 zur Zufuhr des Einschalt-Ansteuerstroms direkt mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 ver bunden ist, und daß der im Pfad des Ausschaltstroms ange ordnete bzw. liegende Ausschalt-Ansteuertransistor 3b über die Drosselspule 13 mit der Emitterelektrode E des IGBT- Elements 6 verbunden ist. Wie später noch näher erläutert wird, handelt es sich hierbei um das wichtigste Merkmal in dieser Schaltungsanordnung, um die gewünschte Wirkung der Verringerung sowohl der Schaltverluste als auch der Über spannung hervorzurufen.It should also be noted that the choke coil 13 is connected to the emitter electrode E of the IGBT element 6 , the low potential output of the direct current source 5 for supplying the switch-on drive current is directly connected to the emitter electrode E of the IGBT element 6 , and that the in the path of the breaking current is arranged or lying opening trigger transistor 3 b is connected via the choke coil 13 to the emitter electrode E of the IGBT element 6 . As will be explained in more detail later, this is the most important feature in this circuit arrangement in order to produce the desired effect of reducing both the switching losses and the overvoltage.
Ein Ende eines Basiswiderstands 2 ist mit der jeweili gen Basiselektrode B beider Transistoren 3a und 3b verbun den. Zwischen das andere Ende des Basiswiderstands 2 und die Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 ist ein Impuls generator 1 geschaltet. Der Impulsgenerator 1 ist außerhalb der Leistungsschaltvorrichtung vorgesehen. Die Transistoren 3a und 3b, der Basiswiderstand 2, die Ansteuerwiderstände 4a und 4b und die Gleichstromquelle 5 bilden eine Steuer schaltung zum Ein- und Ausschalten des IGBT-Elements 6 im Ansprechen auf ein den Basiselektroden B über den Basiswi derstand 2 zugeführtes Impulssignal.One end of a base resistor 2 is connected to the base electrode B gen jeweili both transistors 3 a and 3 b-jointed. A pulse generator 1 is connected between the other end of the base resistor 2 and the emitter electrode E of the IGBT element 6 . The pulse generator 1 is provided outside the power switching device. The transistors 3 a and 3 b, the base resistor 2 , the drive resistors 4 a and 4 b and the direct current source 5 form a control circuit for switching the IGBT element 6 on and off in response to a resistance supplied to the base electrodes B via the base resistor 2 Pulse signal.
Das den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisende Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leistungsschalt vorrichtung hat folgende grundsätzliche Arbeitsweise: wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine hohe Spannung (von beispielsweise 15V) aufweisendes Signal zu führt, schaltet der Einschalt-Ansteuertransistor 3a ein und der Ausschalt-Ansteuertransistor 3b schaltet aus. Der aus der Gleichstromquelle 5 zugeführte Strom (nämlich ein Ein schalt-Ansteuerstrom ION) wird daraufhin über den Ein schalt-Ansteuertransistor 3a der Gateelektrode G zugeführt, worauf die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gatespannung, eine für das IG- BT-Element 6 charakteristische Gate-Schwellenspannung über schreitet, wodurch das IGBT-Element 6 einschaltet. Durch das Einschalten des IGBT-Elements 6 wird die Lastschaltung eingeschaltet, worauf der induktiven Last 8 aus der Gleich stromquelle 10 ein entsprechender Laststrom zugeführt wird.The above-described structure of the embodiment of the power switching device according to the invention has the following basic mode of operation: if the pulse generator 1 to the base resistor 2 has a high voltage (for example 15 V) signal, the switch-on control transistor 3 a switches on and the switch-off control transistor 3 b switches off. The current supplied from the direct current source 5 (namely a switch-on drive current I ON ) is then fed via the switch-on drive transistor 3 a to the gate electrode G, whereupon the voltage between the gate electrode G and the emitter electrode E, ie the gate voltage, is a for the IG-BT element 6 characteristic gate threshold voltage exceeds, whereby the IGBT element 6 turns on. By switching on the IGBT element 6 , the load circuit is switched on, whereupon a corresponding load current is supplied to the inductive load 8 from the direct current source 10 .
Wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine niedrige Spannung (von beispielsweise 0 V) aufweisen des Signal zuführt, schaltet der Ausschalt-Ansteuerwider stand 3b ein und der Einschalt-Ansteuerwiderstand 3a schal tet aus. Daraufhin wird der Gateelektrode G ein in umge kehrter Richtung zum Einschalt-Ansteuerstrom fließender Strom (nämlich ein Ausschalt-Ansteuerstrom Ioff) zugeführt, wodurch die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gatespannung, kleiner als die Gate-Schwellenspannung wird, so daß das IGBT-Element 6 aus schaltet. Mit dem Ausschalten des IGBT-Elements 6 wird auch die Lastschaltung ausgeschaltet, wodurch die weitere Zufuhr des Laststroms aus der Gleichstromquelle 10 zur induktiven Last 8 unterbrochen wird.When the pulse generator 1 supplies the base resistor 2 with a low voltage (for example 0 V) of the signal, the switch-off control resistor 3 b switches on and the switch-on control resistor 3 a switches off. The gate electrode G is then supplied with a current flowing in the opposite direction to the switch-on drive current (namely a switch- off drive current I off ), as a result of which the voltage between the gate electrode G and the emitter electrode E, ie the gate voltage, becomes lower than the gate threshold voltage , so that the IGBT element 6 switches off. When the IGBT element 6 is switched off, the load circuit is also switched off, as a result of which the further supply of the load current from the direct current source 10 to the inductive load 8 is interrupted.
Da die induktive Last 8 gemäß vorstehender Beschreibung die Eigenschaft bzw. das Bestreben hat, den Strom entspre chend der Größe der Induktivität konstant zu halten, dauert es eine gewisse Zeit, bis die Stärke des in der induktiven Last 8 fließenden Laststroms zunimmt, wenn das IGBT-Element 6 vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand schal tet. Wenn das IGBT-Element 6 demgegenüber vom eingeschalte ten in den ausgeschalteten Zustand umschaltet, benötigt der Laststrom einige Zeit, um sich abzuschwächen bzw. um klei ner zu werden. In einem normalen Betriebszustand, bei dem das IGBT-Element 6 das Ein- und Ausschalten mit einer aus reichend kurzen Periode wiederholt, fließt der Laststrom folglich nicht intermittierend, sondern kontinuierlich mit einem mehr oder weniger großen Pulsieren. Der Impulsgenera tor 1 steuert das Tastverhältnis der Einschaltperiode und der Ausschaltperiode des IGBT-Elements 6, um dadurch den Effektivwert des Laststroms auf einen jeweils gewünschten Wert zu steuern. Die vorstehend beschriebene Überspannungs- Absorptionsschaltung arbeitet in der Weise, daß sie den in der induktiven Last 8 in derjenigen Periode, während der das IGBT-Element 6 ausgeschaltet ist, fließenden Laststrom aufrechterhält. Das heißt, die Überspannungs-Absorptions schaltung schafft einen Pfad, über den der Laststrom zur induktiven Last 8 zurückfließt, um damit die Abnahme des Laststroms weicher zu machen bzw. zu verzögern. Weiterhin dient sie dazu, die in der induktiven Last 8 beim Ausschal ten des IGBT-Elements 6 auftretende und an das IGBT-Element 6 angelegte Überspannung zu verringern.Since the inductive load 8 as described above has the property or the desire to keep the current accordingly according to the size of the inductance, it takes a certain time until the strength of the load current flowing in the inductive load 8 increases when the IGBT -Element 6 switches from switched off to switched on. In contrast, when the IGBT element 6 switches from the on state to the off state, the load current takes some time to weaken or to become smaller. In a normal operating state, in which the IGBT element 6 repeats the switching on and off with a sufficiently short period, the load current consequently does not flow intermittently, but continuously with a more or less large pulsation. The pulse generator 1 controls the duty cycle of the switch-on period and the switch-off period of the IGBT element 6 , in order thereby to control the effective value of the load current to a respectively desired value. The overvoltage absorption circuit described above operates in such a way that it maintains the load current flowing in the inductive load 8 in the period during which the IGBT element 6 is switched off. That is, the overvoltage absorption circuit creates a path through which the load current flows back to the inductive load 8 so as to soften or delay the decrease in the load current. Furthermore, it serves to reduce the overvoltage occurring in the inductive load 8 when the IGBT element 6 is switched off and applied to the IGBT element 6 .
Nachstehend wird die für die erfindungsgemäße Lei stungsschaltvorrichtung charakteristische Arbeitsweise nä her erläutert. Wie einleitend unter Bezugnahme auf die her kömmliche Leistungsschaltvorrichtung erwähnt wurde, kann die Existenz der parasitären Induktivitäten 11 und 12 ein Grund für das Auftreten einer hohen Überspannung sein, und zwar insbesondere dann, wenn das IGBT-Element 6 vom Ein schalt- in den Ausschaltzustand umschaltet. Jedoch arbeitet die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung auf die nachstehend näher beschriebene Weise, die es gestattet, so wohl eine Verringerung der Überspannung als auch eine Ver ringerung der Schaltverluste zu erzielen.The mode of operation characteristic of the power switching device according to the invention is explained in more detail below. As mentioned in the introduction with reference to the conventional power switching device, the existence of the parasitic inductors 11 and 12 can be a reason for the occurrence of a high overvoltage, especially when the IGBT element 6 switches from the on to the off state . However, the power switching device according to the invention operates in the manner described in more detail below, which makes it possible to achieve both a reduction in the overvoltage and a reduction in the switching losses.
Wenn der Impulsgenerator 1 gemäß vorstehender Beschrei bung das die niedrige Spannung aufweisende Signal ausgibt, schaltet der Ausschalt-Ansteuertransistor 3b ein und der Einschalt-Ansteuertransistor 3a schaltet aus, worauf der Gateelektrode G der Ausschalt-Ansteuerstrom IOFF zugeführt wird, mit dem Ergebnis, daß das IGBT-Element 6 einen Über gang vom Einschaltzustand zum Ausschaltzustand durchführt. Dieser Übergang erfolgt jedoch nicht augenblicklich bzw. verzögerungsfrei, sondern zieht sich vielmehr aufgrund der Wirkung der Drosselspule 13 und der Steuerschaltung langsam hin. Das heißt, während sich das IGBT-Element 6 dem Aus schaltzustand nähert, nimmt der von der Kollektorelektrode C zur Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 fließende Hauptstrom ab. Diese Abnahme des Hauptstroms ruft in der Drosselspule 13 eine induktive Spannung hervor, wodurch das Potential der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 herab gesetzt wird. Dies findet in derjenigen Richtung statt, in der die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emit terelektrode E im IGBT-Element 6, d. h. die Gatespannung, zunimmt, wodurch die Geschwindigkeit des Übergangs vom Ein schalt- zum Ausschaltzustand im IGBT-Element 6, d. h. die Schaltgeschwindigkeit, verlangsamt wird.If the pulse generator 1 outputs the low voltage signal as described above, the turn-off drive transistor 3 b turns on and the turn-on drive transistor 3 a turns off, whereupon the gate electrode G is supplied with the turn-off drive current I OFF , with the result that the IGBT element 6 performs a transition from the on state to the off state. However, this transition does not take place instantaneously or without any delay, but rather slowly takes place due to the action of the inductor 13 and the control circuit. That is, as the IGBT element 6 approaches the off state, the main current flowing from the collector electrode C to the emitter electrode E of the IGBT element 6 decreases. This decrease in the main current causes an inductive voltage in the inductor 13, as a result of which the potential of the emitter electrode E of the IGBT element 6 is reduced. This takes place in the direction in which the voltage between the gate electrode G and the emitter electrode E in the IGBT element 6 , ie the gate voltage, increases, as a result of which the speed of the transition from the on to the off state in the IGBT element 6 , ie the switching speed is slowed down.
Der geschlossene Kreis- bzw. Umlaufstrompfad des Aus schalt-Ansteuerstroms (der in Fig. 1 mit der durchgezogenen Pfeillinie angedeutet ist), der sich beim Einschalten des Ausschalt-Ansteuertransistors 3b ausbildet, enthält darüber hinaus die Drosselspule 13. Der Ausschalt-Ansteuerstrom IOFF und der Hauptstrom fließen in der Drosselspule 13 in zueinander entgegengesetzter Richtung. Der Ausschalt-An steuerstrom IOFF steigt daher einmal an und verringert sich daraufhin aufgrund derjenigen Spannung, die in der Drossel spule 13 induziert wird, wenn der Hauptstrom abnimmt. Dies macht den Übergang des IGBT-Elements 6 vom Einschalt- zum Ausschaltzustand in wirksamer Weise weicher bzw. glättet diesen. Als Folge davon nimmt der im IGBT-Element 6 flie ßende Hauptstrom sanft bzw. allmählich ab und die Zunahme in dem in der Überspannungs-Absorptionsschaltung fließenden Strom verläuft ebenso sanft. Die aufgrund der parasitären Induktivitäten 11 und 12 auftretende Überspannung wird folglich auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt.The closed circuit or circulating current path of the switching drive current (which is indicated in FIG. 1 with the solid arrow line), which is formed when the switch-off drive transistor 3 b is switched on, also contains the inductor 13 . The switch-off drive current I OFF and the main current flow in the inductor 13 in the opposite direction to one another. The switch-off control current I OFF therefore rises once and then decreases due to the voltage that is induced in the inductor 13 when the main current decreases. This effectively softens or smoothes the transition of the IGBT element 6 from the on to the off state. As a result, the main current flowing in the IGBT element 6 decreases gently or gradually, and the increase in the current flowing in the overvoltage absorption circuit is also smooth. The overvoltage occurring due to the parasitic inductances 11 and 12 is consequently reduced to a very low value.
Wenn der Impulsgenerator 1 demgegenüber das die hohe Spannung aufweisende Signal ausgibt, schaltet der Ein schalt-Ansteuertransistor 3a ein und der Ausschalt-Ansteu ertransistor 3b schaltet aus, worauf der Gateelektrode G der Einschalt-Ansteuerstrom ION zugeführt wird, mit dem Er gebnis, daß das IGBT-Element 6 einen Übergang vom Aus schalt- zum Einschalt-Zustand durchführt. Im Vergleich zum Übergang aus dem Einschalt- zum Ausschaltzustand verläuft der Übergang zu diesem Zeitpunkt wesentlich schneller. Der Grund hierfür liegt darin, daß der geschlossene Kreis bzw. Umlaufstrompfad des Einschalt-Ansteuerstroms ION (der in Fig. 1 mit der gestrichelten Pfeillinie angedeutet ist), der sich beim Einschalten des Einschalt-Ansteuertransistors 3a ausbildet, die Drosselspule 13 nicht enthält. Die Tatsache, daß einer der beiden Pfade die Drosselspule 13 enthält, während der andere die Drosselspule 13 nicht enthält, lei tet sich aus der Schaltungseigenschaft ab, daß der das niedrige Potential aufweisende Ausgang der Gleichstrom quelle 5 direkt mit der Emitterelektrode E verbunden ist, während der Ausschalt-Ansteuertransistor 3b über die Dros selspule 13 mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden ist.When the pulse generator 1 contrast outputs the signal to the high voltage comprising, a switching drive transistor 3 switches from A, and the turn-Ansteu ertransistor 3 b switched on, after which the gate electrode G is supplied to the turn-on drive current I ON, with the He result that the IGBT element 6 performs a transition from the switch-off to the switch-on state. In comparison to the transition from the on to the off state, the transition at this point is much faster. The reason for this is that the closed circuit or circulating current path of the switch-on drive current I ON (which is indicated in FIG. 1 with the dashed arrow line), which is formed when the switch-on drive transistor 3 a is switched on, does not contain the choke coil 13 . The fact that one of the two paths contains the inductor 13 while the other does not contain the inductor 13 is derived from the circuit property that the low potential output of the direct current source 5 is directly connected to the emitter electrode E, while the turn-off control transistor 3 b via the Dros selspule 13 is connected to the emitter electrode E of the IGBT element 6 .
Da der Übergang schnell vonstatten geht, wenn das IGBT- Element 6 vom Ausschalt- zum Einschaltzustand wechselt, werden die im IGBT-Element 6 beim Übergang auftretenden Schaltverluste auf niedrige Werte herabgesetzt. Das heißt, die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung unterdrückt vorzugsweise die Überspannung, wenn das IGBT-Element 6 ei nen Übergang vom Einschalt- zum Ausschaltzustand durch führt, bei dem die auf die parasitären Induktivitäten 11 und 12 zurückzuführende Überspannung auftritt, und reali siert die Verringerung in den Schaltverlusten vorzugsweise beim Übergang vom Ausschalt- zum Einschaltzustand, bei dem keine Überspannung auftritt. Hierdurch wird erreicht, daß gleichzeitig sowohl die Schaltverluste wirksam verringert als auch das Auftreten einer Überspannung unterdrückt wer den kann.Since the transition takes place quickly when the IGBT element 6 changes from the switched-off to the switched-on state, the switching losses occurring in the IGBT element 6 during the transition are reduced to low values. That is, the power switching device according to the invention preferably suppresses the overvoltage when the IGBT element 6 performs a transition from the on to the off state in which the overvoltage due to the parasitic inductances 11 and 12 occurs, and realizes the reduction in the switching losses preferably during the transition from the switch-off to the switch-on state, in which no overvoltage occurs. This ensures that both the switching losses are effectively reduced and the occurrence of an overvoltage suppressed who can.
Nachfolgend werden Hinweise für jeweils geeignete Daten und eine Optimierung der Schaltungskonstanten gegeben. In diesem Zusammenhang werden diejenigen Ergebnisse angegeben, die bei einer Schaltungssimulation des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leistungsschalt vorrichtung für eine Verbesserung der Arbeitsweise und eine Optimierung der Schaltungskonstanten gewonnen wurden. Die Fig. 2 bis 5 zeigen in diesem Zusammenhang jeweilige Graphen bzw. Kurvenscharen, anhand derer die nach Durchfüh rung einer Simulation an einer Leistungsschaltvorrichtung mit dem in Fig. 1 gezeigten Schaltungsaufbau und bei einer Nennspannung bzw. Spannungsbelastbarkeit von 600 V sowie bei einem Nennstrom von 400 A erhaltenen Ergebnisse darge stellt sind. Bei dieser Simulation wurde die jeweilige Größe der Schaltverluste und der Überspannung ΔVCE mit Pa rametern der Induktivität L der Drosselspule 13 und Wider standswerten R der Ansteuerwiderstände 4a und 4b erhalten. Die Widerstandswerte der Ansteuerwiderstände 4a und 4b wur den jeweils auf die gleiche Größe eingestellt.In the following, information is given for suitable data and an optimization of the circuit constants. In this context, those results are given which were obtained in a circuit simulation of the exemplary embodiment of the power switching device according to the invention shown in FIG. 1 for an improvement in the mode of operation and an optimization of the circuit constants. Figs. 2 to 5 show in this context respective graphs and families of curves, based on which the to imple tion of a simulation on a power switching device having the structure shown in Fig. 1 circuit configuration and at a nominal voltage or voltage rating of 600 V and a rated current of 400 A results obtained are Darge. In this simulation, the respective size of the switching losses and the overvoltage ΔV CE with parameters of the inductance L of the inductor 13 and resistance values R of the control resistors 4 a and 4 b was obtained. The resistance values of the control resistors 4 a and 4 b were each set to the same size.
Fig. 2 zeigt Kennlinien, die den charakteristischen Ver lauf der Überspannung ΔVCE gegenüber dem jeweiligen Schalt verlust zeigen. Die in Klammern () angegebenen Bezugszei chen geben den Widerstandswert R an. Der Fig. 2 ist entnehm bar, daß die Überspannung ΔVCE kleiner wird, wenn die In duktivität L größer wird. Das heißt, die gezeigten Daten belegen, daß die Drosselspule 13 die Wirkung hat, die Über spannung ΔVCE zu reduzieren, wobei diese Wirkung um so spürbarer ist, je größer die Induktivität ist. Fig. 2 shows characteristic curves which show the characteristic run of the overvoltage ΔV CE compared to the respective switching loss. The reference numerals given in brackets () indicate the resistance value R. Fig. 2 is removably bar that the overvoltage ΔV CE becomes smaller when the inductance L becomes larger. That is, the data shown prove that the inductor 13 has the effect of reducing the overvoltage ΔV CE , this effect being more noticeable the greater the inductance.
Die Beziehung zwischen der Induktivität L und dem je weiligen Schaltverlust ist aus der graphischen Darstellung der Fig. 2 nicht deutlich entnehmbar. Die graphische Dar stellung der Fig. 2 wurde daher so umgestaltet, daß diese Beziehung deutlich hervorgeht, wobei die gezeigten Kennli nien die Beziehung der Induktivität L zu dem jeweiligen Schaltverlust darstellen, wobei die Überspannung ΔVCE den veränderlichen Parameter darstellt. Die entsprechende Kur venschar ist in Fig. 3 gezeigt. Aus dieser Kurvenschar kann entnommen werden, daß der jeweilige Schaltverlust kleiner wird, wenn die Induktivität L größer wird, unter der Vor aussetzung, daß die Überspannung ΔVCE konstant ist und in einem Bereich liegt, in dem die Überspannung ΔVCE nicht kleiner als 100 V ist. Die graphische Darstellung der Fig. 3 belegt demzufolge, daß es durch das Vorsehen der Drossel spule 13 möglich ist, in kompatibler Weise sowohl die Ver ringerung der Überspannung ΔVCE als auch die Verringerung der Schaltverluste zu realisieren. The relationship between the inductance L and the respective switching loss is not clearly evident from the graph in FIG. 2. The graphical representation of FIG. 2 has therefore been redesigned in such a way that this relationship is clear, the characteristic curves shown representing the relationship of the inductance L to the respective switching loss, the overvoltage ΔV CE representing the variable parameter. The corresponding Kur venschar is shown in Fig. 3. From this family of curves it can be seen that the respective switching loss becomes smaller as the inductance L increases, under the condition that the overvoltage ΔV CE is constant and is in a range in which the overvoltage ΔV CE is not less than 100 V. is. The graphical representation of FIG. 3 therefore shows that the provision of the inductor 13 makes it possible to implement in a compatible manner both the reduction in the overvoltage ΔV CE and the reduction in switching losses.
Nachfolgend wird der am besten geeignete Bereich für die Größe der Induktivität L und die Größe des Widerstands werts R untersucht. In Fig. 4 ist eine durch geeignete Um formung der Darstellung der Fig. 2 erhaltene graphische Dar stellung gezeigt, in der die Abhängigkeit des jeweiligen Schaltverlusts auf den Widerstandswert R dargestellt ist, wobei die Induktivität L als Parameter gewählt ist. Aus dieser graphischen Darstellung ist entnehmbar, daß der je weilige Schaltverlust um so kleiner ist, je kleiner der Wi derstandswert R ist, mit Ausnahme eines gewissen Bereichs, bei dem der Widerstandswert R ausreichend niedrig ist, un ter der Voraussetzung, daß die Induktivität L konstant ist; weiterhin ist erkennbar, daß der jeweilige Schaltverlust um so kleiner ist, je kleiner die Induktivität L ist, unter der Voraussetzung, daß der Widerstandswert R konstant ist. Um den Schaltverlust unterhalb eines bestimmten erlaubten, in der Praxis erforderlichen Werts zu steuern bzw. zu hal ten, ist es folglich nötig, für die Induktivität L und den Widerstandswert R obere Grenzen festzusetzen. Für prakti sche Anwendungen ist es anzustreben, die obere Grenze für den Schaltverlust auf ungefähr 40 mWs einzustellen. Bei ei ner derartigen zugelassenen oberen Grenze für den Schalt verlust kann ausgesagt werden, daß die Induktivität L vor zugsweise nicht größer als 5 nH sein sollte. Was den Wider standswert R betrifft, falls die Induktivität L beispiels weise 2 nH beträgt, so sollte der Widerstandswert R vor zugsweise nicht größer als 2 Ω sein, wobei der Wider standswert R vorzugsweise nicht größer als 1 Ω sein soll te, falls die Induktivität L 5 nH beträgt.The most suitable range for the size of the inductance L and the size of the resistance R is examined below. In FIG. 4, a suitable order of the representation of FIG modeling. 2 shown graphical obtained Dar position in which the dependence of the respective switching loss is shown on the resistance value R, the inductance L is selected as a parameter. From this graph it can be seen that the switching loss is smaller, the smaller the resistance value R is, with the exception of a certain range in which the resistance value R is sufficiently low, provided that the inductance L is constant is; it can also be seen that the smaller the inductance L, the smaller the respective switching loss, provided that the resistance value R is constant. In order to control or keep the switching loss below a certain permitted value required in practice, it is therefore necessary to set upper limits for the inductance L and the resistance value R. For practical applications, it is desirable to set the upper limit for switching loss to approximately 40 mWs. With such an approved upper limit for the switching loss, it can be stated that the inductance L should preferably not be greater than 5 nH before. As for the resistance value R, if the inductance L is 2 nH, for example, the resistance value R should preferably not be greater than 2 Ω, the resistance value R should preferably not be greater than 1 Ω if the inductance L Is 5 nH.
Der zulässige obere Grenzwert für den Schaltverlust hängt in gewissem Ausmaß auch von der Auslegung bzw. von den Kenndaten des IGBT-Elements 6 ab, wobei die den Verlauf des Widerstandswerts R gegenüber dem Schaltverlust zeigende charakteristische Kennlinie der Fig. 4 sich ebenfalls in Ab hängigkeit von diesen Kenndaten ändert. Unter Berücksichti gung dieser Tatsachen kann in normalen Fällen, in denen von den Kenndaten eines IGBT-Elements mit 100 A Belastbarkeit oder mehr auszugehen ist, geschlossen werden, daß die In duktivität L vorzugsweise 5 nH oder kleiner und der Wider standswert R vorzugsweise 3 Ω oder kleiner sein sollte.The permissible upper limit value for the switching loss also depends to a certain extent on the design or on the characteristic data of the IGBT element 6 , the characteristic curve of FIG. 4 showing the course of the resistance value R against the switching loss also depending on changes these characteristics. Taking these facts into account, it can be concluded in normal cases, in which the characteristic data of an IGBT element with a load capacity of 100 A or more, that the inductance L is preferably 5 nH or less and the resistance value R is preferably 3 Ω or should be smaller.
In Fig. 5 ist eine durch geeignete Umstellung der gra phischen Darstellung der Fig. 2 erhaltene Kennlinienschar gezeigt, in der die Abhängigkeit der Überspannung ΔVCE vom Widerstandswert R dargestellt ist, wobei die Induktivität L als Parameter gewählt ist. Aus dieser Kennlinienschar ist entnehmbar, daß die Überspannung ΔVCE um so kleiner ist, je höher die Induktivität L ist, unter der Voraussetzung, daß der Widerstandswert R konstant ist, mit Ausnahme desjenigen Bereichs, in dem der Widerstandswert R hoch genug ist, und daß die Überspannung ΔVCE um so kleiner ist, je höher der Widerstandswert R ist, unter der Voraussetzung, daß die In duktivität L konstant ist, mit Ausnahme desjenigen Be reichs, in dem die Induktivität L hoch genug ist. Wenn die Induktivität L einen Wert von 5 nH oder mehr aufweist, hängt die Überspannung ΔVCE sehr eng vom Widerstandswert R ab, ist jedoch beinahe konstant.In Fig. 5 is a by appropriate conversion of the gra phical representation of Fig. 2 of characteristic curves obtained, in which the dependence of the voltage .DELTA.V CE on the resistance value R is shown, wherein the inductance L is selected as a parameter. From this family of curves it can be seen that the higher the inductance L, the smaller the overvoltage ΔV CE , provided that the resistance value R is constant, with the exception of the range in which the resistance value R is high enough, and that the overvoltage ΔV CE is smaller, the higher the resistance value R, provided that the inductance L is constant, with the exception of the region in which the inductance L is high enough. If the inductance L has a value of 5 nH or more, the overvoltage ΔV CE depends very closely on the resistance value R, but is almost constant.
Um zu erreichen, daß die Überspannung ΔVCE durch die Induktivität L auf ein in der Praxis wirksames Maß redu ziert wird, ist es erforderlich, die Induktivität L auf ei nen gewissen unteren Grenzwert oder höher einzustellen. Wenn das IGBT-Element 6 gemäß vorstehender Beschreibung ei ne Nenn-Stromstärke von nicht weniger als 100 A aufweist, ist es wünschenswert, die Induktivität L auf 1 nH oder hö her einzustellen.In order to achieve that the overvoltage ΔV CE is reduced to an effective level by the inductance L, it is necessary to set the inductance L to a certain lower limit or higher. If the IGBT element 6 has a rated current of not less than 100 A as described above, it is desirable to set the inductance L to 1 nH or higher.
Vorstehend wurde somit eine Leistungsschaltvorrichtung offenbart, die es ermöglicht, sowohl die jeweils auftre tende Überspannung als auch die Schaltverluste zu verrin gern. Die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung weist zu diesem Zweck eine Drosselspule auf, die mit der Emitte relektrode eines IGBT-Elements verbunden ist, wobei sich das Potential der Emitterelektrode in derjenigen Richtung ändert, in der das IGBT-Element den Einschalt-Zustand auf rechterhält, wodurch der Hauptstrom abgeschwächt wird, wenn das IGBT-Element vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand umschaltet. Da die Drosselspule darüber hinaus im Pfad des Ausschalt-Ansteuerstroms, der das IGBT-Element ausschaltet, angeordnet ist, erhöht sich der Ausschalt-An steuerstrom einmal und nimmt daraufhin ab. Da der Übergang vom eingeschalteten zum ausgeschalteten Zustand verzögert abläuft, wird als Folge davon das Auftreten einer Überspan nung unterdrückt. Da die Drosselspule andererseits nicht im Pfad des Einschalt-Ansteuerstroms liegt, erfolgt der Über gang vom ausgeschalteten zum eingeschalteten Zustand des IGBT-Elements sehr rasch. Folglich werden die in dieser Übergangsperiode auftretenden Schaltverluste herabgesetzt. Somit ist es möglich, eine Verringerung der Überspannung gleichzeitig mit einer Verringerung der Schaltverluste zu erzielen.A power switching device has thus been described above disclosed, which makes it possible for both to occur overvoltage and switching losses gladly. The power switching device according to the invention has for this purpose a choke coil that is connected to the center electrode of an IGBT element is connected, where the potential of the emitter electrode in that direction changes in which the IGBT element to the on state maintains, thereby weakening the main stream when the IGBT element from on to off State switches. Since the choke coil in addition Path of the turn-off drive current that the IGBT element switches off, is arranged, the switch-off increases control current once and then decreases. Because the transition delayed from on to off expires, the consequence of this is the occurrence of an overvoltage suppressed. On the other hand, since the choke coil is not in the The path of the inrush drive current is over from switched off to switched on state of the IGBT element very quickly. Consequently, those in this Switching losses occurring during the transition period are reduced. Thus, it is possible to reduce the overvoltage at the same time as a reduction in switching losses achieve.
Claims (7)
eine in der Lastschaltung angeordnete Drosselspule (13) vorgesehen ist und daß
die Steuerschaltung derart aufgebaut ist, daß ein Pfad des Ausschalt-Ansteuerstroms, den die Steuerschaltung der Steuerelektrode (G) zuführt, um das Leistungsschaltelement (6) in den Ausschaltzustand zu bringen, die Drosselspule (13) enthält, daß ein Hauptstrom des Leistungsschaltelements (6) und der Ausschalt-Ansteuerstrom in entgegengesetzter Rich tung zueinander in der Drosselspule (13) fließen und daß ein Pfad des Einschalt-Ansteuerstroms, den die Steuerschaltung der Steuerelektrode (G) zuführt, um das Leistungsschaltele ment (6) in den Einschaltzustand zu bringen, die Drossel spule (13) nicht enthält.1. A power switching device in which a power switching element (6) in response to an output signal of a control electrode (G) of the power switching element (6) control circuit connected to a switch-off and ei NEN switching-through leads to an electrode having a main (C) of the power switching element ( 6 ) connected load circuit on and off, characterized in that
a choke coil ( 13 ) arranged in the load circuit is provided and that
the control circuit is constructed such that a path of the switch-off drive current, which the control circuit supplies to the control electrode (G) in order to bring the power switching element ( 6 ) into the switch-off state, contains the inductor ( 13 ) such that a main current of the power switching element ( 6 ) and the switch-off drive current flow in the opposite direction to each other in the choke coil ( 13 ) and that a path of the switch-on drive current which the control circuit supplies to the control electrode (G) in order to bring the power switching element ( 6 ) into the switch-on state, the choke coil ( 13 ) does not contain.
das Leistungsschaltelement (6) ein bipolares Transis torelement mit isoliertem Gate (IGBT) ist,
ein Ende der Drosselspule (13) mit einer Emitterelek trode (E) des bipolaren Transistorelements mit isoliertem Gate verbunden ist und daß
die Steuerschaltung einen Transistor (3b) für eine Aus schalt-Ansteuerung, der der Steuerelektrode (G) durch Ein schalten des Pfads des Ausschalt-Ansteuerstroms den Aus schalt-Ansteuerstrom zuführt, und einen Transistor (3a) für eine Einschalt-Ansteuerung aufweist, der der Steuerelektro de (G) durch Einschalten des Pfads des Einschalt-Ansteuer stroms den Einschalt-Ansteuerstrom zuführt.2. Power switching device according to claim 1, characterized in that
the power switching element ( 6 ) is a bipolar transistor gate element with insulated gate (IGBT),
one end of the inductor ( 13 ) is connected to an emitter electrode (E) of the bipolar transistor element with an insulated gate and that
the control circuit has a transistor ( 3 b) for a switch-on control, which supplies the control electrode (G) with a switch-on current of the switch-off drive current, and a transistor ( 3 a) for a switch-on control , which the Steuerelektro de (G) by turning on the path of the inrush drive current supplies the inrush drive current.
der Transistor (3b) zur Ausschalt-Ansteuerung zwischen einer Gateelektrode (G) des bipolaren Transistorelements mit isoliertem Gate und dem anderen Ende der Drosselspule (13) angeordnet ist und daß
der Transistor zur Einschalt-Ansteuerung zwischen ei ner Stromquelle (5) für die Zufuhr des Einschalt-Ansteuer stroms und der Gateelektrode (G) angeordnet ist.3. Power switching device according to claim 2, characterized in that
the transistor ( 3 b) for switching off is arranged between a gate electrode (G) of the bipolar transistor element with an insulated gate and the other end of the inductor ( 13 ) and that
the transistor for switch-on control between egg ner current source ( 5 ) for the supply of the switch-on control current and the gate electrode (G) is arranged.
zwischen dem Transistor (3b) zur Ausschalt-Ansteuerung und dem anderen Ende der Drosselspule (13) ein Ausschalt-An steuerwiderstand (4b) angeordnet ist und daß
zwischen dem Transistor (3a) zur Einschalt-Ansteuerung und der Stromquelle (5) ein Einschalt-Ansteuerwiderstand an geordnet ist.4. Power switching device according to claim 2 or 3, characterized in that
between the transistor ( 3 b) for switching off control and the other end of the inductor ( 13 ) a switching-on control resistor ( 4 b) is arranged and that
between the transistor ( 3 a) for switching on and the current source ( 5 ) a switch-on resistor is arranged.
das bipolare Transistorelement mit isoliertem Gate ei ne Strombelastbarkeit von 100 A oder mehr aufweist,
die Größe der Induktivität der Drosselspule (13) 1 nH bis 5 nH beträgt,
der Widerstandswert des in dem Pfad des Ausschalt-An steuerstroms angeordneten Ausschalt-Ansteuerwiderstands (4b) 3 Ω oder weniger beträgt, und daß
der Widerstandswert des in dem Pfad des Einschalt-An steuerstroms angeordneten Einschalt-Ansteuerwiderstands (4a) 3 Ω oder weniger beträgt.7. Power switching device according to one of claims 4 to 6, characterized in that
the insulated gate bipolar transistor element has a current carrying capacity of 100 A or more,
the size of the inductance of the inductor ( 13 ) is 1 nH to 5 nH,
the resistance value of in the path of the switch-on control current arranged turn-drive resistance (4 b) 3 Ω or less, and that
the resistance value of the switch-on drive resistor ( 4 a) arranged in the path of the switch-on control current is 3 Ω or less.
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